Введение к работе
Актуальность темы. Информационные системы (ИС) стали неотъемлемой частью инфраструктуры большинства организаций. Активное участие в процессе создания и сопровождения ИС должны принимать эксперты в предметной области и конечные пользователи, поскольку именно они знают особенности работы организации и замечают ограничения уже функционирующих в ней систем. При этом использование традиционных подходов к разработке программного обеспечения становится проблематичным, поскольку эксперты, не являющиеся ИТ-специалистами, не способны понять языки программирования общего назначения, используемые при создании ИС, а программисты не обладают достаточным уровнем знаний о предметной области, чтобы учесть ее особенности при реализации системы.
В связи с этим все более востребованными становятся инструментальные средства, использующие при создании ИС моделъно-ориентироеанный подход, основная идея которого - построение моделей системы и генерация на их основе кода реализации ИС. Модель системы -это абстрактное описание на некотором формальном языке характеристик системы, важных с точки зрения цели моделирования, ее поведения.
Модельно-ориентированный подход к разработке ИС предполагает наличие хотя бы одного языка моделирования, с использованием которого производится построение моделей. При этом чаще применяются визуальные языки, поскольку графические модели обладают большей наглядностью и понятностью не только для программистов, но и для экспертов в предметной области, конечных пользователей. Визуальный язык - это совокупность формализованных наборов графических символов и правил для построения моделей. Визуальное моделирование - процесс построения моделей средствами визуальных языков.
Для привлечения к процессу разработки и сопровождения ИС экспертов в предметной области, конечных пользователей, не являющихся ИТ-специалистами, необходимо предоставить им удобные языки моделирования, оперирующие привычными для них терминами предметной области. В качестве таких языков могут выступать визуальные предметно-ориентированные языки (Domain-Specific Languages, DSL),
предназначенные для решения определенного класса задач в конкретной предметной области. Однако построение нового DSL - достаточно сложная задача, поскольку помимо описания самого языка моделирования необходимо создать удобный редактор для работы с ним. Для упрощения процесса разработки и сопровождения DSL используется специальный вид программного обеспечения - языковой инструментарий, или DSM-платформа [6].
Большое влияние на формирование и развитие предметно-ориентированного моделирования оказали исследования М. Фаулера, Ю.-П. Толванена, С. Келли, М. Велтера, работы, ведущиеся в СПбГУ (руководитель - профессор А.Н. Терехов), в ЮФУ (руководитель -профессор Ю.И. Рогозов), в НИУ ИТМО (руководитель - профессор Ф.А. Новиков) и др.
В процессе создания и эксплуатации информационных систем могут принимать участие различные категории специалистов (программисты, бизнес-аналитики, эксперты в предметной области и др.), в этом случае появляется необходимость динамического изменения описания DSL, его настройки на потребности конкретного пользователя. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы языковой инструментарий позволял выполнять многоуровневое моделирование, при этом должна быть построена иерархия моделей: модель, метамодель, мета-метамодель и т.д., где метамодель - модель языка, используемого для создания моделей, а мета-метамодель {метаязык) - язык, на котором описываются метамодели.
При разработке крупных ИС нельзя ограничиваться созданием только одной модели, т.к. такая модель будет громоздкой, сложной для понимания и модификации, поэтому, как правило, выполняется построение нескольких моделей, описывающих систему с различных точек зрения, с разной степенью детализации, созданных с использованием различных DSL. После построения моделей пользователь может на их основе сгенерировать исходный код реализации системы или выполнить экспорт разработанных моделей во внешние системы для их дальнейшей обработки, например, для проведения имитационного моделирования. Для этого требуется наличие средств трансформации моделей, которые позволяют производить преобразование моделей, описанных с использованием одного визуального
языка, в модели, построенные в иной графической/текстовой нотации. Причем описание правил преобразования моделей должно производиться в терминах исходного и целевого языков моделирования, понятных различным категориям специалистов.
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка методов и реализующих их инструментальных средств, позволяющих создавать визуальные динамически настраиваемые предметно-ориентированные языки моделирования, производить построение моделей программных систем с использованием этих языков и выполнять вертикальные и горизонтальные трансформации созданных моделей.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Провести анализ методов и инструментальных средств создания визуальных DSL.
-
Построить математическую модель для реализации процесса разработки визуальных DSL.
-
На основе построенной математической модели разработать метод создания визуальных предметно-ориентированных языков моделирования, обеспечивающий:
возможность многоуровневого моделирования;
возможность динамического изменения описания языков моделирования без перегенерации исходного кода их редакторов;
единообразие средств представления, описания и использования моделей различных уровней иерархии.
-
Разработать метод описания и выполнения трансформаций моделей, позволяющий определять преобразования моделей в нотациях исходного и целевого языков моделирования.
-
На основе построенной математической модели, разработанных методов программно реализовать инструментальные средства MetaLanguage, позволяющие упростить создание визуальных DSL и выполнение трансформаций моделей. С использованием разработанного инструментария описать визуальные динамически настраиваемые DSL для некоторых предметных областей, сравнить
выразительную мощность метаязыка и возможности системы
MetaLanguage с другими языковыми инструментариями, проверить
практическую значимость полученных в диссертационном
исследовании результатов.
Методы исследования. В диссертационной работе используется
понятийный аппарат теории множеств, теории графов, теории графовых
грамматик; методы и средства объектно-ориентированного программирования.
Научной новизной обладают следующие результаты диссертационного
исследования:
-
Разработанная математическая модель, лежащая в основе процесса создания визуальных предметно-ориентированных языков, позволяющая унифицированным образом описывать модели различных уровней иерархии, поддерживать метамодели и модели в согласованном состоянии при внесении изменений в метаязык и/или метамодель.
-
Построенный на основе разработанной математической модели метод создания визуальных DSL, позволяющий не только производить многоуровневое моделирование, но и выполнять внесение изменений в описание предметно-ориентированных языков без повторной генерации исходного кода их редакторов.
-
Метод описания и выполнения трансформаций моделей, предоставляющий возможность в нотациях исходного и целевого языков моделирования производить построение моделей различных уровней иерархии, преобразование моделей, созданных с использованием одного языка моделирования в модели, выполненные в иной графической/текстовой нотации.
Практическая значимость. Предложенные в диссертационном исследовании методы применялись автором на практике при создании предметно-ориентированных языков для различных предметных областей [4, 7, 10, 13, 17].
Система MetaLanguage используется в практике деятельности ООО «Новая платформа» при создании системы FlexBerry, предназначенной для разработки SaaS-решений.
Результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, внедрены в учебный процесс Пермского государственного национального
исследовательского университета и Пермского филиала национального исследовательского университета «Высшая школа экономики».
По теме диссертационной работы получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в ФИПС РФ (Роспатент) [27], пять свидетельств о регистрации электронных ресурсов в ОФЭРНиО (ЦИТиС) [22-26].
Результаты диссертации могут быть использованы в следующих перспективных исследованиях: в области программной инженерии, при разработке основанных на методах многоуровневого моделирования инструментальных средств создания ИС; при решении практических задач в области создания DSL для конкретных предметных областей; в области разработки подходов к автоматизированному построению DSL на основе онтологии, полученных в результате анализа различных документов предметной области; в области усовершенствования методов трансформации визуальных моделей.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
-
Серия всероссийских научно-практических конференций «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» г. Новосибирск, г. Нижний Новгород в 2008 г.; г. Томск, г. Нижний Новгород в 2009 г.; г. Нижний Новгород в 2010 г.
-
Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых с международным участием «Современные проблемы математики и ее прикладные аспекты», г. Пермь, 2010 г. и 2013 г.
-
Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям AIS/CADT0, пос. Дивноморское, 2010 г.
-
Международная научно-техническая конференция «Технологии разработки информационных систем», г. Геленджик, 2011-2013 гг.
-
Международная конференция «Spring/Summer Young Researchers' Colloquium on Software Engineering (SYRCoSE)», г.Пермь в 2012г., г. Казань в 2013 г.
-
Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные проблемы механики, математики, информатики 2012», г. Пермь, 2012 г.
-
Научная школа молодых ученых «Computer Science Days in Ekaterinburg», г. Екатеринбург, 2012 г.
-
Всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика - ИММОД-2013», г. Казань, 2013 г.
Основные результаты диссертации опубликованы в 29 работах, среди которых 21 статья, 3 из них в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК. Работа была поддержана следующими грантами:
1.РФФИ, 2008-2009 гг., проект № 08-07-90006-Бел-а «Интеграция
систем имитационного моделирования и информационных систем на
основе онтологии и многоуровневых моделей предметных областей».
2. РФФИ, 2010-2011 гг., проект № 10-01-00794-а «Методы создания
DSL-инструментария и моделирования предметных областей на
основе многоуровневых онтологии и графовых грамматик».
З.РФФИ, 2012-2013 гг., проект № 12-07-00763-а «Методы и средства
реализации трансформаций предметно-ориентированных языков
моделирования сложных проблемно-ориентированных
информационных систем». 4. Научный фонд НИУ «Высшая школа экономики», софинансирование гранта РФФИ, 2012-2013 гг.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка терминов, списка литературы из 128 наименований и 8 приложений. Основная часть работы изложена на 157 страницах, содержит 41 рисунок и 1 таблицу.
